复合改性玄武岩纤维PA-13排水沥青混合料性能研究

收稿日期：2024-04-02

基金项目：玄武岩纤维沥青混凝土路面成套技术在高速公路工程中的应用（2021T7）；玄武岩纤维及制品在公路工程中的应用关键技术研究（2021J5）。

作者简介：王海洋（1987—），男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁试验检测。

通信作者：邵景干（1970—），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向：新材料应用技术。

摘 要：【目的】为改善排水沥青混合料的路用性能，选用SBS、橡胶粉及玄武岩纤维稳定剂对其进行复合改性。【方法】结合前期研究成果，在SBS及橡胶粉改性剂掺量分别为5%、10%，玄武岩纤维掺量为0.4%的基础上开展PA-13沥青混合料配合比设计；在不同橡胶粉掺量下对PA-13排水沥青混合料开展高温抗车辙、抗水损害及抗剥落等路用性能研究。【结果】从高温性能及经济性考虑，橡胶粉的合理掺量为12%；从水稳定性能角度考虑，橡胶粉掺量为10%；从抗剥落能力及经济性考虑，橡胶粉的合理掺量为10%。【结论】SBS、橡胶粉及玄武岩纤维的掺入能够改善排水沥青混合料的路用性能。

关键词：改性剂；玄武岩纤维；矿料级配；沥青混合料；路用性能

中图分类号：U416.217 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0065-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.014

Research on the Performance of Composite Modified Basalt

Fiber PA-13 Drainage Asphalt Mixture

WANG Haiyang1，2 WANG Jingbo1，2 SHAO Jinggan1，2 SHAO Xudong1，2 LI Wenkai1，2

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450046， China; 2.R & D Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] To improve the road performance of drainage asphalt mixture， SBS， rubber powder， and basalt fiber stabilizer were selected for composite modification. [Methods] Based on the previous research results of the research group， the mix design of PA-13 asphalt mixture was carried out on the basis of SBS and rubber powder modifiers with a dosage of 5% and 10%， respectively， and basalt fiber with a dosage of 0.4%; a study was conducted on the road performance of PA-13 drainage asphalt mixture under different rubber powder dosages， including high temperature resistance to rutting， water damage， and peeling. [Findings] From the perspective of high temperature performance and economy， the reasonable dosage of rubber powder is 12%; from the perspective of water stability performance， the rubber powder content is 10%; from the perspectives of anti peeling ability and economy， the reasonable dosage of rubber powder is 10%. [Conclusions] The addition of SBS， rubber powder， and basalt fibers can improve the road performance of drainage asphalt mixtures.

Keywords： modifier; basalt fiber; mineral aggregate grading; asphalt mixture; road performance

0 引言

近年来，随着气候的变化，极端恶劣天气逐年增多，尤其夏季连续强降雨天气会给城市排水系统带来巨大压力，路面积水无法排出路表，不仅会造成行车安全问题，也会对人们的人身安全造成威胁。排水沥青路面作为“海绵城市”理念的重要组成部分，能够将路面积水快速排出路表，同时具有降噪功能。但《排水沥青路面设计与施工技术规范》（JTG/T 3350-03—2020）中规定排水沥青路面设计空隙率多为18%～25%，结构层内部孔隙较大且多呈现相互贯通状态，导致路面结构层整体稳定性较差，应对常规道路石油沥青进行复合改性来增强沥青与矿料之间的黏结能力，从而提高排水沥青路面的承载能力，改善排水沥青路面的高低温、抗水损害及抗剥落等路用性能。本研究选用SBS、橡胶粉及玄武岩纤维稳定剂对昆仑及京博两种品牌沥青的PA-13排水沥青混合料进行复合改性，并对混合料开展相关性能试验，为复合改性排水沥青路面的推广应用提供依据。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

1.1.1 道路石油沥青。排水沥青路面设计空隙率一般为18%～25%，矿料之间的孔隙较大且相互贯通，为保证排水沥青路面有足够的承载能力及矿料之间的黏结能力，沥青种类的选择至关重要。本研究分别选用昆仑及京博两种品牌的70#A级道路石油沥青进行排水沥青混合料配合比设计，两种沥青主要技术指标试验结果见表1。

1.1.2 改性剂。参照《排水沥青路面设计与施工技术规范》（JTG/T 3350-03—2020）的规定，排水沥青混合料配合比设计应选用高黏改性沥青，故本研究选用SBS及橡胶粉（CRM）两种改性剂对昆仑及京博两种品牌的沥青开展复合改性，两种改性剂主要技术指标试验结果分别见表2、表3。

1.1.3 纤维稳定剂。参照《排水沥青路面设计与施工技术规范》（JTG/T 3350-03—2020）的规定，为增强排水沥青混合料矿料之间的黏结能力，提高排水沥青路面的整体承载力，可选用纤维稳定剂对混合料进行改性。玄武岩纤维属于矿物纤维，具有良好的物理、力学性能，且其本质是玄武岩物理状态的另外一种存在形式，已被广泛应用到沥青混合料当中。本研究选用的玄武岩纤维型号为9 mm-17 µε，主要技术指标试验结果见表4。

1.2 配合比设计

本研究选用矿料级配为PA-13的排水沥青混合料展开研究，为增强矿料与沥青之间的黏结能力，选用偏弱碱性粒径为10～15 mm、5～10 mm的石灰岩碎石为粗骨料，机制砂粒径为0～5 mm，填料为矿粉，PA-13矿料级配设计结果见表5。结合前期研究成果，SBS及橡胶粉改性剂掺量分别为5%、10%（占沥青质量），纤维掺量为0.4%（占沥青混合料质量），马歇尔配合比设计试验结果见表6。

2 路用性能

结合前期研究成果，在SBS掺量为5%（占沥青质量），玄武岩纤维掺量为0.4%（占沥青混合料质量）的基础上，对橡胶粉掺量分别为0%、6%、8%、10%、12%、14%的昆仑及京博两种品牌的PA-13排水沥青混合料进行高温稳定性、水稳定性及飞散性能试验，以评价橡胶粉掺量对沥青混合料性能的影响。

2.1 高温稳定性

沥青路面的高温性能受温度、交通量及车辆轴载的影响较大，高温、大交通量及重轴载作用下沥青路面易出现车辙病害［1-2］。PA-13排水沥青混合料属于间断级配，设计空隙率一般为18%～25%，矿料之间较大的孔隙会严重影响排水沥青路面的高温承载能力，本研究选用车辙试验来评价PA-13排水复合改性沥青混合料的高温性能，试验结果如图1所示。

由图1可知，昆仑及京博两种品牌沥青混合料中仅掺入5%SBS时，动稳定度试验结果分别为874次/mm、1 023次/mm，均小于JTG/T 3350-03—2020中不小于5 000次/mm的技术要求；橡胶粉掺量相同时，京博牌沥青混合料高温性能优于昆山牌；随着橡胶粉掺量的增大，两种品牌混合料的高温性能均逐渐增强，但增加幅度却逐渐变小，从高温性能及经济性综合考虑，推荐橡胶粉的掺量为12%。

2.2 水稳定性

快速将路面积水排出路表是排水沥青路面最为重要的功能。排水沥青路面设计空隙率多为18%～25%，且内部孔隙多为贯通，部分沥青胶浆裸露在外面。沥青长期受到外界综合因素的作用逐渐老化，导致沥青与矿料的黏附能力衰退，沥青路面水稳定性能降低［3-5］。本研究选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价PA-13排水复合改性沥青混合料的水稳定性能，试验结果分别如图2、图3所示。

由图2、图3可知，随着橡胶粉掺量的增大，两种品牌沥青混合料的水稳定性能均呈现先增大后减小的趋势，橡胶粉掺量为10%时，水稳定性能最优；橡胶粉掺量小于8%时，两种品牌沥青混合料的浸水马歇尔及冻融劈裂试验结果不满足JTG/T 3350-03-2020中不小于85%、80%的技术要求。从水稳定性能角度考虑，选取橡胶粉掺量为10%。

2.3 飞散性能

排水沥青路面因其具有较大的空隙率，导致矿料之间的黏结能力不足，骨料容易从结构层内部剥落而出现路面病害。本研究选用标准飞散及浸水飞散试验来评价PA-13排水复合改性沥青混合料的抗飞散性能，试验结果分别如图4、图5所示。

由图4、图5可知，随着橡胶粉掺量的增大，两种品牌沥青混合料的抗飞散性能试验结果均逐渐减小，掺量超过10%时，减小幅度均变缓；当橡胶粉掺量小于6%时，昆仑及京博两种品牌沥青混合料的标准飞散损失及浸水飞散损失试验结果分别不满足JTG/T 3350-03—2020中不小于20%、15%的技术要求。从抗剥落能力及经济性考虑，橡胶粉的合理掺量为10%。

3 结论

本研究选用SBS、橡胶粉及玄武岩纤维对昆仑及京博两种品牌沥青的PA-13排水沥青混合料进行复合改性，并开展配合比设计及路用性能研究，得出以下结论。

①随着橡胶粉掺量的增加，昆仑及京博两种品牌沥青混合料的高温抗车辙能力均逐渐增强，从高温性能及经济性综合考虑，推荐橡胶粉的掺量为12%。

②随着橡胶粉掺量的增大，昆仑及京博两种品牌沥青混合料的抗水损害能力均呈现先增大后减小的趋势，从水稳定性能角度考虑，选取橡胶粉掺量为10%。

③随着橡胶粉掺量的增加，昆仑及京博两种品牌沥青混合料的抗剥落能力均逐渐降低，从抗剥落能力及经济性考虑，橡胶粉的合理掺量为10%。

参考文献：

［1］高林丽，李文凯，邵景干，等.不同热氧老化环境下SBS改性沥青及其混合料性能研究［J］.长沙理工大学学报（自然科学版），2023，20（1）：48-57.

［2］李琨，卞俊威，韩鹏，等.聚乙烯对胶粉改性沥青及其混合料性能的影响研究［J］.合成材料老化与应用，2023，52（6）：83-86.

［3］武宏钰.干拌废胎胶粉复配SBS改性沥青与混合料性能研究［J］.路基工程，2023（5）：117-122.

［4］张娟.纤维改性橡胶沥青混合料性能及应用研究［J］.山东交通科技，2023（3）：87-90.

［5］柳力，朱晓明，刘朝晖，等.钢渣掺量对橡胶沥青混合料ARAC-13性能的影响［J］.材料导报，2023，37（10）：66-72.